（通信与信息系统专业论文）部分响应信道检测技术及其仿真研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 磁记录技术作为目前信息存储的主要方式之一，其中水平磁记录常用洛仑兹脉 冲作为信道冲激响应，但随着记录密度的增长出现了“超顺磁效应”；而常以反双曲 正切函数表示其脉冲响应的垂直磁记录在高密度存储时具有更大的优势，成为近年 来磁记录领域研究者们所关注的热点。早期的磁盘采用峰值检测技术来降低系统中 的码间干扰( i s i ) ，它适用于高信噪比及低码率的情况。由于高密度、大容量、快读 取速度的要求使得磁记录存储中的i s i 也日趋严重，传统的峰值检测技术已不能满 足要求。而上世纪9 0 年代末出现的p r m l 技术能有效地提高了存储容量和读取速 度，被应用于商业磁盘中。 本文侧重研究了磁记录信道下消除码间干扰的信道检测技术以及提高系统性能 的方法。根据磁记录信道的时频特性，通过p r 均衡将磁记录信道等效成部分响应 信道，构建并实现了部分响应信道的m l 检测和l o g - m a p 检测，并对两种方式进 行仿真和优势分析。结果表明：在p r 4 e p r 4 以及几组m m s e 均衡获得的g p r 信 道下两种检测方案均能达到缓解i s i 影响的功能。b c j r 检测输出的软信息可以和高 效纠错码进行迭代检测，为了进一步提高磁记录系统的整体性能，本文构建了基于 l d p c 码的t u r b o 均衡框架。对比r s 码硬判决的译码性能，仿真结果表明：在b e r 达到l o 。5 级别时，t u r b o 均衡至少存在2 d b 的性能增益，说明在磁记录系统中采用 这种方式存在着研究价值。由此研究并分析了t u r b o 均衡在不同的部分响应信道、 不同迭代次数以及不同码率的性能。仿真结果表明：帧长为4 0 9 6 比特时，t u r b o 均 衡相比于无编码系统能获得较大的编码增益。对p r 4 、e p r 4 以及4 阶g p r 信道在 总复杂度大致相同的条件下，外迭代为5 次内迭代为3 次的配置方式能使系统获得 相对较好的性能。在此基础上，仿真获得当l d p c 码率为o 8 9 ，p r 4 信道在b e r 达到2 xl0 - 6 级别时比无编码系统有5 2 d b 增益，较e p r 4 信道检测性能有0 3 d b 优 势，而此时4 阶和5 阶g p r 信道在b e r 达到5 x 1 0 缶时的增益分别为5 8 d b 和5 6 d b ； 当码率增大至0 9 4 时，系统性能下降l d b 左右。此工作对推进磁盘存储信道中信号 处理机制和纠错码技术研究提供了可行的研究方向。 关键词：磁记录，部分响应，信道检测，t u r b o 均衡 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e t i cr e c o r d i n gi s o n ef o r mo fi n f o r m a t i o ns t o r a g e l o n g i t u d i n a lm a g n e t i c r e c o r d i n gu s e sl o r e n t zp u l s ea si t si m p u l s er e s p o n s e , w h i l ei th a st h ed e f e c to f s u p e r p a r a r n a g n e t i ce f f e c t 谢t l lt h eg r o w t ho fr e c o r d i n gd e n s i t y , p e r p e n d i c u l a rm a g n e t i c r e c o r d i n gu s e sa n t i - h y p e r b o l i ct a n g e n tf u n c t i o na si t si m p u l s er e s p o n s e ，i ta t t r a c t s r e s e a r c h e r s c o n c c r nb e c a u s eo f i t sa d v a n t a g ei nh i g h - d e n s i t ys t o r a g e p e a kd e t e c t i o nu s e d t od e t e c tt h ei n t e r s y m b o li n t e r e f e r e n c ei nm a g n e t i cr e c o r d i n gs y s t e m , a p p l y i n gt oh i g h s n ra n dl o w - b i t - r a t es i t u a t i o n , b u ti tb e c o m e si n c o m p e t e n ti nh i g h e rd e n s i t ya n dh i g h e r c a p a c i t y p r m ld e t e c t i o ne m e r g e sd u r i n gt h el a t e19 9 0 s ，i ti m p r o v e st h es t o r a g ec a p a e i t y a n dr e a d i n gs p e e de f f e c t i v e l ya n dh a sb e e nu s e di nc o m m e r c i a ld i s k t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fi s ii nm a g n e t i cr e c o r d i n g c h a n n e l sa sw e l la si m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e a o e o r d i n gt ot h ec h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s ，w ee q u i v a l e n tm a g n e t i cr e c o r d i n gc h a n n e l sa sp a r t i a lr e s p o n s ec h a n n e l s ， a n db u i l dm la n dl o g - m a pd e t e c t i o no v e rp rc h a n n e l s ，a n a l y z i n gt h e i ra d v a n t a g e s t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h i st w od e t e c t i o i l sc a nr e d u c ei s io v e rb e t hp r 4 e p r 4a n d g p rc h a n n e l s b e j rh a ss o f to u t p u tt h a tc a l lc h a n g e 、析md e c o d e r , t h i sp a p e rb u i l da l d p cb a s e dt u r b oe q u a l i z a t i o ns t m c t t a - ei no r d e rt oi m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e i t o u f p e r f o r m a n c e sr sc o d e 诵mm o r et h a n2 d bg a i na tb e r o f10 0 ，s h o w i n gt h i sm e t h o d h a sr e s e a r c hv a l u eo v e rm a g n e t i cr e c o r d i n gs y s t e m t h e nr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no n d i f f e r e n tp a r t i a lr e s p o n s ec h a n n e l sa n di n t e r a t i o n sa n dc o d er a t e sa r ec a r r i e do u t t h e r e s u l t ss h o wt h a t 而m4 0 9 6b i t sf r a m el e n g t h , t u r b oe q u a l i z a t i o nc a ng e tm u c hc o d i n g g a i nt h a nu n c o d e ds y s t e m w i t ht h es a i l l et o t a lc o m l e x i t y , w ef i n db o t hp r 4 e p r 4a n d4 r a n k sg p rc h a n n e lc a ng e tb e t t e rp e r f o r m a n c ea d o p t i n g5i n n e ri t e r a t i o n sa n d3o u t e r i t e r a t i o n st h a no t h e ri t e r a t i o ns c h e m e s f u r t h e r m o i , i th a s5 2 d bg a i nt h a nu n c o d e d s y s t e mw h e nr = 0 8 9a tb e r 2 xl0 - 6o v e rp r 4c h a n n e l ，w h i c hi s0 3 d bm o r et h a nt h a t o v e re p r 4c h a n n e l u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c eg a i n sa r e5 8 d ba n d 5 6 d ba tb e r5 x10 6o v e rt h e4r a n k sg p rc h a n n e la n d5r a n k sg p rc h a n n e l r e s p e c t i v e l y , w h e nt h er a t ei n c r e a s e dt o0 9 4 ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c eh a sn e a r l yld b d e g r a d a t i o no v e ra l lc h a n n e l s t h i sw o r ko f f e r sf e a s i b l ew a yo fs i g n a lp r o c e s s i n ga n d e r r o r - c o r r e c t i o nc o d i n gt e c h n o l o g yi nm a g n e t i c r e c o r d i n g k e yw o r d s ：m a g n e t i cr e c o r d i n g , p a r t i a lr e s p o n s e , c h a n n e ld e t e c t i o n , t u r b oe q u a l i z a t i o n n 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 随着社会的进步及科技的迅速发展，尤其是近年来计算机和互联网技术的发 展，人们获取、处理、传输、存储和显示的信息量正以指数方式日益增加，人类 已经进入了“信息爆炸式增长的时代 ，需要考虑如何才能更有效更可靠地存储和 管理越来越多的数据信息。 磁记录是信息存储的核心技术之一，它提供了大容量的组合优势，快速的数 据存取，且体积小，成本低，非易失性存储等特性。磁记录技术目前已普遍存在 于我们的日常生活中，被广泛应用于计算机数据存储的中央处理设备，个人工作 站和手提电脑等。相比于当前初露端倪的光存储信息技术和固体存储技术，磁记 录技术仍拥有其在信息存储领域中不可取代的重要地位。 1 1 磁记录技术发展历史和研究背景 磁记录的历史可以追溯到1 8 9 8 年，v a l d e m a rp o u l s e n 发明了以磁记录方式为 背景的装置电话留声机。从那时候起，磁存储技术便一直保持着持续而迅猛 的发展势头，自1 9 5 0 年m m 公司发明了硬盘以来，磁盘存储记录技术开始进入其 发展的黄金时代。1 9 5 3 年i b m 7 2 6 磁带机的出现标志着计算机磁盘应用的开端； 1 9 5 6 年，i b m 公司在时隔3 年之后又有了一个惊人的创举，制作了世界上第一个 固定式磁盘装置m m3 5 0r a m a c ，它拥有“惊人的5m b 存储量。而在过去的 2 0 多年里，数字磁记录系统的存储容量取得了飞速的提高，这种存储容量逐渐增 加的趋势将会随着人们对数据，语音，视频应用，移动技术等方面的需求而增长， 特别是互联网的发展起到了更进一步的推进作用。 磁记录面密度的增加源自于各方面越来越多的发展，包括更高性能的媒体介 质材料，更好的磁头设计，如m r ( 磁阻) 的读取头，g m r ( 巨磁电阻) 、t m r ( 隧道磁 电阻) 等，机械部件缩放，更好的信号处理机制及高效纠错码的发展【l 】，给磁存储 技术带来的几次飞跃式发展。在信号处理方面，磁记录方式一直以来都是采用纵 向记录( l o n g i t u d i n a lr e c o r d i n g ) 技术，随着存储密度的快速提升，超顺磁效应【2 】的 出现使纵向记录技术受到限制。因为此时的磁单元和磁粒本身体积很小，当密度 增加到一定程度时，室温下的热扰动就能使磁路反转，从而造成磁盘中数据被破 坏而不能正常读出。研究发现纵向记录技术在存储密度高于1 2 0 g b i n 2 时已无法保 存完整的数据。而由日本的岩崎俊一在1 9 8 0 年提出的垂直磁记录方式开始受到人 们的关注，它能有效地克服超顺磁效应带来的影响，且能更进一步提高磁记录密 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 度的上限。纵向磁记录方式的记录位纵横比b a r ( 磁道宽度除以记录位长度) 约为 1 0 1 2 ，垂直磁记录方式的记录位的纵横比减小到5 “左右【3 】。 随着以上所述这些技术的发展，磁记录存储密度急剧增加，如图1 1 所示。从 九十年代末的每平方英寸l 也千兆比特到2 0 0 6 年的每平方英寸2 5 0 千兆比特，存 储密度增长了两个数量级。今天，普通人花费不到千元就可以轻易购买到容量超 过lt b 的商用硬盘，不仅它的容量大幅度增加，而且其体积却大大减小，这些特 性完全符合人们的要求。 1 0 3 1 0 2 1 0 矿 誊1 0 a o 言1 一 岳 勺 焉1 酽 之 1 旷 1 0 r 4 1 0 4l 一 1 9 7 0 鲨perpendi黝cularr e c o r d i n g d e m o n s t r a t i o n s 7 捃 一，1 喃，掣 田 ，搿一胀1 e a d l ，- - - f e r r i t eh e a d 絮蟹孵；”q 。“ 哗哆彩影：仰“ c o a t i n g 蹦s k ，一”ts p u t t e r e dm e t a ld i s k i ? 。? 2 i w 日h t “。 1 9 8 01 9 9 0 2 0 0 0 y e a r 图1 1 硬盘存储密度增长趋势图 进入二十一世纪，信息存储空间在日益凸显出拥挤的迹象，因而未来的信息 系统对存储容量、数据传输速率及信息寻址速度的要求可以说是永无止境的，它 会是一个相当活跃的领域。世界各国特别是发达国家对磁记录技术的发展极其重 视，投入大量人力、财力开展对高密度、快速数据、高数据可靠性的存储技术的 研究，相关的技术研究内容也一直受到广大研究者的青睐。 1 2 研究现状及存在的问题 从上个世纪9 0 年代开始，关于磁记录系统的信道建模及其检测技术的研究开 始成为该领域的研究热点。 在信道建模方面：磁记录信道具有无限长的脉冲响应，它是一个含有i s i 影响 的信道模型。如何设计最逼近最匹配实际磁记录信道是研究磁记录技术中非常重 要的部分。早期采用部分响应波形来拟合磁记录信道【6 1 ，常用的有p r 4 、e p r 4 、 e 2 p r 4 等；而随着存储密度的增加具有非整数系数的g p r 波形能更精确地与其响 应特性匹配。以p i y ak o v i n t a v e w a t 提出的用g p r 均衡应用磁记录信道作为一个领 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 航标志【7 - 9 ，目前将g p r 均衡应用于磁记录信道的研究方式已迅速展开。 在信道检测技术方面：传统的磁记录信道采用的是峰值检测方式，它已是一 种过时的技术，不能满足磁盘存储系统较低b e r 性能需求。因此，基于p r 波形 的检测技术应运而生，包括p r m l 技术、判决反馈均衡、固定延迟树收索法的判 决反馈及其改良方法以及以不同种类信道噪声影响为出发点的基于噪声预测而提 出了n p m l 技术【1 2 1 等，所有这些技术中属p r m l 方梨l o , n 最受关注。 磁记录技术拥有巨大优势的同时也存在一些技术上的限制。目前磁盘存储系 统存在以下几个问题： 1 ) 磁介质颗粒只能被极化为两种极性，这就要求信道输入为二进制方式，限 制能提高带宽效率的调制方案的应用。 2 ) 在高密度高速率读取的存储系统中，回读脉冲相互紧挨，导致数据在读取 过程中产生严重的码间干扰，极大地影响接收端信息读取时信息的获取。而如何 设计磁盘中的信号处理机制以对抗i s i 给该领域的研究者们带来巨大的挑战。 3 ) 磁记录信道对码率r 极其敏感，当r 过大时会潜在地造成i s i 更严重，特 别是在高密度存储系统中，i s i 会被扩大到超过纠错码所带来的增益。然而降低码 率会降低了存储效率。而码长受记录扇区的影响被限制在5 1 2b i t s 或者4 0 9 6b i t s 。 4 ) 磁记录信道存在电子噪声、介质噪声和其他信道损失，所有这些因素将造 成建模时的噪声非白化特性。 5 ) 数据存储系统要求比特错误率极低，达到1 0 。1 4 或者更低，当前大多数纠错 码设计远在这个级别之上就会出现错误地板。 6 ) 由于热浮动的影响，磁记录信道会出现大量的突发差错。同时热扰动使磁 化样式从写入时刻开始慢慢衰减，衰减过程中介质噪声增加，也增加了读错率。 目前磁记录系统设计的标准是信号在记录后的1 0 年时间内衰减不超过l o 。 1 3 论文目的、方法及意义 本文是实验室关于国家自然科学基金项目“多边类型l d p c 在垂直磁记录信 道下的优化设计与分析”的横向课题，完成项目的前期工作，为多边类型l d p c 码运用在磁记录系统中的应用做铺垫工作。 磁记录系统的研究中主要的研究方向是如何在保证既有的低读取错误率这一 前提下使系统的存储密度进一步提高。本文探讨磁盘存储系统中关于如何采用有 效的接收端检测方式以减少磁记录信道中的码间干扰问题，从而提高系统性能。 通过建立以部分响应信道来作为逼近实际磁记录信道的模型，分别考虑两种不同 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 形式的信道检测方案，构造基于l d p c 码的具有软信息迭代的t u r b o 均衡结构， 从而达到消除或降低码间干扰影响和提高磁记录系统可靠性的目的。 磁记录信道的响应有着无限长的i s i 导致其在物理上的不可实现，本文通过两 种信道逼近的方式对磁记录信道进行研究分析，包括p r 4 ，e p r 4 等作为目标部分 响应信道以及根据m m s e 均衡【1 5 1 方案联合设计出的带有非整数化多项式系数的 g p r 信道，它能获得更逼近垂直磁记录方式的实际信道特性。而磁记录信道检测 采用p r m l 技术，它较传统的基于峰值检测的磁记录系统能显著地提高存储密度。 p r m l 方案从实质上说是p r 信道级联基于最大似然序列检测的v i t e r b i 算法【l 8 】 构成消除信道中码间干扰的检测，它具有很好的译码性能、运算复杂度较低，且 适合于硬件实现等特点，是无编码系统的理想选择。此外，考虑到目前很多如t u r b o 码、l d p c 码【1 3 】等能获得接近香农限的纠错码的成功研究，软信息迭代译码方式在 未来的数字磁记录系统中的应用也受到了极大地关注。基于此，本文构建了一个 基于l d p c 码的t u r b o 均衡结构，进而将软信息迭代译码方式用于磁记录系统中。 我们把经过滤波、均衡等过程的磁记录信道等效成为部分响应信道后，并将它们 有效地看作是码率近似为1 的卷积码编码方式【1 4 】而作为一个串行级联系统的内码， 而l d p c 码作为系统外码来使用。这样，系统通过p r m l 方式消除或降低磁记录 信道中的i s i 干扰，l d p c 码用于消除内码检测所残留的差错【3 5 铘】，从而进一步提 高系统性能。然而此时的信道检测器必须向外码译码器提供软信息，由此我们用 b c j r 算法【l9 】的检测方式取代p r m l 中的维特比算法，它能给出每一判决符号的 可靠性信息，但具有较高的计算复杂度，用于p r 信道检测时所带来的运算量和存 储量都随i s i 长度增长而急剧增加。由此本文采用l o g - m a p 算法凹】以降低其计算 复杂度，并与后端解码器构成t u r b o 均衡以进一步提高系统性能，以期为l d p c 码 应用于磁盘存储系统中的前景提供一些例证，为未来磁盘存储系统中新的信号处 理机制的确立提供有价值的参考。 1 4 论文结构 本文主要探讨了磁记录系统中的信道检测技术。以p r 信道均衡、最大似然序 列检测、具有软信息输出的信道检测技术及以l d p c 码为基础的t u r b o 均衡框架， 意图通过选取最优最逼近实际磁盘存储信道特性的p r 4 、e p r 4 以及g p r 系数， 结合t u r b o 均衡方式来提高磁记录系统的仿真性能。本文仿真基于e h 语言， m a t l a b 平台。全文结构安排如下： 第一章首先阐述了磁记录技术发展历程及其背景；分析目前磁记录系统中存 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 在限制其发展的问题及其相关的解决办法；在此基础上论述本论研究的意义、目 的和方法。最后给出本文的研究内容和全文整体结构安排。 第二章简要介绍数字磁记录系统的物理特性。分别给出纵向磁记录和垂直磁 记录方式的介质排列方式、脉冲响应波形及其幅频特性，并给出磁记录系统的框 架结构。 第三章根据磁记录信道噪声特性及其信道检测方案，采用p r 4 e p r 4 信道以及 用m m s e 均衡方式获得的近似垂直磁记录信道特性的g p r 信道，完成等效磁记录 信道的设计。 第四章构建部分响应信道下基于最大似然序列检测和基于逐符号检测方案， 通过仿真分析这种检测方式在几组部分响应信道下的性能。 第五章以a p p 迭代译码为基础，搭建了基于l d p c 码的t u r b o 均衡结构。对 比它与r s 码硬判决译码算法的性能确定该方案的在实际应用中的可行性，继而对 影响其检测性能的相关因素进行仿真分析并得出结论。 第六章给出论文的结论，并对进一步的研究方向提出建议。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章磁记录信道特性分析 第二章磁记录信道特性分析 磁记录系统是信息存储的核心技术之一，计算机硬盘驱动器、磁带及磁盘存 储系统在人们日常生活中的普遍存在，它以其实用的经济性和强大的可靠性提供 了信息存储必备的所有特征。磁记录系统有两种模式：传统的纵向磁记录技术方 式( l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cr e c o r d i n gc h a n n e l ，l m r c ) 和目前备受关注的垂直磁记录 技术方式( p e r p e n d i c u l a rm a g n e t i cr e c o r d i n gc h a n n e l ，p m r c ) t 2 1 1 。研究磁记录的过程 我们需从其物理特性开始着手，从根本上了解它的处理机制，本章将介绍磁记录 信道的物理模型及其分析方法。 2 1 磁记录系统 信息的存储过程包括数据的存入和读出两个重要过程，磁记录系统中的信息 通过磁头在磁介质上的读取，图2 1 是传统磁记录存储的原理图。 图2 1 传统磁记录系统图 图2 1 中数字数据流经过编码的处理，形成编码序列。通常发送端最后这一调 制采用的是“n r z i ”编码方式，它使电压反转符号发生在为“l 的数据单元中心； 而数据单元为“0 时，电压水平保持不变。写入时，对应编码数据流的正负交替 变换的电压波形通过写入放大器后被加载到磁头的线圈上，通过产生磁场变化从 而使盘面上的磁介质被磁化；读取时磁头通过辨认磁场强度变化读出对应的波形， 再根据例如传统采用的峰值检测技术等方式判断出原始存储的信息序列。 磁记录系统受到外界各种因素的影响，它们是不确定不稳定的不利因素，造 成数据在读出过程中会出现错误。基本的错误来源于内部和外部两方面，如磁介 质颗粒噪声、实现电路中的电子噪声、读取放大器和传感器的噪声以及量化噪声 6 重庆邮电大学硕士论文第二章磁记录信道特性分析 等内部因素。另外，磁记录过程中的非线性包括反向移位和磁化强度衰减等、旧 数据的不充分擦除和码间干扰i s i 及邻道信息的干扰i t i 2 2 1 等都会产生读取错误。 而磁盘在实际使用中还受各种外界环境的影响，包括其周围温度造成的热扰动【2 3 1 ， 使用不慎造成的振动等都会对磁记录中的数据带来不同程度的“噪声 ，本文讨论 的信号处理方式实质上即是从磁盘读取数据的角度出发，在如此多噪声影响的恶 劣环境中提取和检测原始存储信号的过程，这些噪声因素都将在后面章节中进行 详细阐述，并给出相应缓解的办法。 2 2 磁记录信道特性 2 2 1 磁记录信道物理结构 磁记录系统的三个重要过程如前所述是写、读和记录，支持这三个过程的部 件是写入读取磁头、磁介质媒体和磁道。受磁化作用后的读写头沿着飞速转动的 磁盘表面运动，并在此过程中写入或读取存储在磁盘上的信息。 研究表明，数字信息存储在磁记录信道的过程是由磁介质媒体中的磁性粒子 受到一个外力驱使而定向到达某一特定方向来实现的。某一个磁道上的磁化粒子 排列方式描绘如图2 2 所示 2 4 1 ，每个载磁块对应一个表示+ l 或1 数字位的两个可 能的方向之一磁化，如果不再受到其他外力作用，这些磁性粒子将长期保持在其 所在的方向上。从图中我们可以看出，纵向磁记录方式的磁化方向是水平平行于 磁盘的表面，介质媒体颗粒是按照其左右方向被磁化来存储数据信息的；而垂直 磁记录方式磁化方向完全不同，它垂直于磁盘表面，介质媒体颗粒是在其上下方 向上被磁化。水平磁记录方式已经广泛应用于日常的存储系统中，由于它在较高 密度存储时会出现超顺磁效应而逐渐淡出人们的视线范围，目前研究者热衷的磁 盘存储技术是采用垂直磁记录技术方式。 ( a i 水! 记录 ( b ) 垂直记录 ( 纵向记录 图2 2 水平磁记录方式和垂直磁记录方式 7 重庆邮电大学硕士论文第二章磁记录信道特性分析 2 2 2 磁记录的读写过程 上面介绍了磁记录信道的物理结构，就此再展开其数据存入和读取过程的原 理。首先分析磁头，它作为连接电子接口和磁介质的媒体而成为数据存储过程中 的重要组成部件。磁头的物理结构是由一个具有低矫顽力的高通量芯材料组成， 它使得磁头具有容易被消磁的特性，这符合磁盘在实际应用过程中能被轻易地反 复写入和读出存储信息。 信息的存入过程具体如下：写入放大器根据输入的对应编码数据流正负交替 变化的电压在电子设备的线圈中产生交替变换的电流。由电磁感应原理，读写磁 头根据变化的流产生出变化的磁场，从而使磁介质的载磁体按照一定方向被磁化 成相应极性的磁化位或磁化元，从而将数据序列记录在磁介质上。当磁介质盘面 飞快经过磁头，磁头将随时间变化的磁场加到磁介质上，从而完成一串连续的二 进制比特信息的写入。通过上面对整个写入过程的分析我们发现感应电流在记录 过程中是一个中间转换变量，可以通过设置电流的大小增强感应磁场的强度，从 而优化记录过程。 相反的，信息读取是将数据的空间磁化强度分布转变成正负交替的电压脉冲。 磁记录信息的读取通过感应磁头或磁电阻磁头来完成，首先将磁条上的磁极变化 转换成电信号，将磁轨贴近磁头间隙，磁头根据磁化介质上读取速率的变化及时 作出响应，依据磁感应定律将磁化强度分布转变成电压脉冲。传统的磁记录系统 中会对电压脉冲波形进行峰值检测，从而可以判断在某个记录单元内波形是否发 生反转。最后，对判决得到的电压脉冲序列进行解码即可获得原始的输入信号。 在此给出一个铺垫，基于传统的峰值检测技术不再能满足高密度存储系统中的低 误码率要求，本文采用更复杂也更精准的检测方法，如后面章节将详细介绍的部 分相应检测方案p r m l 技术和t u r b o 均衡方式。 总而言之，磁盘存储读写原理的依据是磁介质载磁体的剩磁效应及电磁学中 最基本的电磁感应定律，它是实质上即是一个磁电电磁转变的过程。在写入时通 过电磁转换原理，利用磁头写入线圈中的电流脉冲得到变化的电压从而感应磁通 量，把二迸制符号逐个转变成磁载体的不同磁化状态，读取时根据磁电转换原理， 利用m r 磁头还原获得磁载体上不同磁化状态所代表的二进制符号，并以电流的 形式输出，最后通过检测判决出原始存储信号，从而完成整个磁记录系统的读取 过程。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章磁记录信道特性分析 2 3 连续时间磁记录信道 在过去的5 0 多年里，水平磁记录模型一直被认为是磁记录存储信道的常用形 式，随着超顺磁的出现使其发展遇到了一个瓶颈。而垂直磁记录方式因其具有更 高的矫顽磁力，更厚的介质媒体允许较小的粒径以及更高的信噪比标准更受关注。 采用垂直磁记录方式能获得水平磁记录方式下2 到8 倍的存储密度2 5 1 。下面由信 道模型入手，分别对两种方式进行对比分析。 2 3 1 磁记录信道阶跃响应 对于一个特定的存储模型，读取过程可以通过阶跃响应s ( t ) 表示，它是读磁头 对应一个独立传输响应。s ( t ) 一般可简便地由一个已知的读取信号估计而来，并可 用简单的函数来表征。 水平磁记录方式下人们惯用一个洛伦兹脉冲【2 6 】的阶跃脉冲响应s l ( t ) 来表示其 磁变信号的阶跃响应，洛伦兹脉冲表示为： 吒( f ) = l + ( 2 t ! p l w s o ) z ( 2 1 ) 4 是信道响应的幅度，仿真将其归一化：p 是用于描述洛伦兹脉冲在达到 其最大幅度一半高度时的脉冲宽度值，即s ( t ) 的幅度从- a 以到a o 2 之间的宽度。 垂直磁记录方式通常情况下采用双曲正切函数【2 7 】或者误差函数来表示其阶跃 响应s ，( f ) ，它们分别表示如下： 啪) = a 2 0t a n h l ( p l n 陈3 。 ( 2 2 ) s ： ( f ) = 形( 4 1 n l6 t p w 5 0 ) ( 2 3 ) 本文采用式2 2 作为研究垂直磁记录的重点，式中的4 表示信道响应幅值的 缩放因子，通常将其归一化，同时我们还能发现式2 2 中也包含p 这个特定参 数，研究表明：对于给定的磁头和磁介质媒体，p 只是一个常数，它由磁盘存 储信道的比特密度母及存储记录时比特周期决定，它们之间的关系表示如下： 疋= 尸r , ( 2 4 ) 从式2 4 中可以看出，对于给定的尸，当越小时磁化转变越接近，也暗 示着更高的i s i 存在。另一个密度概念是用户存储密度瓯，它和磁记录信道的存储 密度相关，它们之间的关系可表示为： 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章磁记录信道特性分析 瓯= 尺( 2 5 ) 式中r 是系统编码码率，由此可知在磁记录系统中，要进一步提高存储容量， 可以通过提高比特存储密度或者降低系统编码码率的两种方式。然而，码率过高 会带来太多的冗余信息就会降低存储效率，因此要在两者之间寻求平衡点。 根据阶跃响应表达式，通过m a t l a b 获得其阶跃波形如图2 3 所示，水平磁记 录方式s o = 2 5 或3 0 和垂直磁记录方式最= 1 5 或2 0 时的4 组阶跃响应波形。从图中 可以看出洛仑兹脉冲表示的水平磁记录阶跃波形是一个偶对称形式，反双曲正切 函数表示的垂直磁记录阶跃波形是一个奇对称函数，分析发现它们是互为积分微 分的形式。此外，对比发现阶跃响应波形随着比特存储密度的增大其尾巴更长， 波形变得平缓，带来更多的影响。 。 ；m r c8 c = 2 5 l m r cs c - - - - 30 p m r cs c = - 15 一一一p m r cs 萨2 o 心； 。：；7 ：炎 _ = = ：= ? 一 l ： 多夕 夕 | ， 以 ，_ ，。 一一 二，1 ：= 一j 图2 3 阶跃响应s ( t ) 波形图 2 3 2 磁记录信道幅频响应特性 磁记录信道的编码输入数据是一组经过b p s k 调制的离散二进制序列戤，因 此它的取值样本为 + l ，一l ，此序列经过“n r z i ”编码方式之后逐位被写入磁介质， 从而得到序列b l 【。当相邻的输入元素不同时( 即a # a k i ) ，b k 序列要经过一次交替反 转，因此它的取值样本为 + 2 ，0 ，2 ，其数学表达式为b k = a k ( 1 d ) ，d 是对应一个t c 延迟因子。磁记录信道的连续时间脉冲响应h ( t ) 可以表示为： h ( t ) = s ( t ) 一s ( t - t c ) ( 2 6 ) 从而由m a t l a b 画出的此时水平磁记录方式下母= 2 5 或3 o 和垂直磁记录方式 下s o = 1 5 或2 0 时的脉冲响应波形的变化趋势如图2 4 所描述。同样从图中可以看出 对于同一种磁记录方式，当存储密度增加时，脉冲响应的波形不会尖锐而逐渐趋 于更平缓的状态，两个相邻的波形之间重叠的部分会更严重。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章磁记录信道特性分析 8 图2 4 脉冲响应h ( t ) 的波形形式 由此，根据频谱归一化性质、傅立叶变换及其相关性等一些性质，我们可以 得到连续时间脉冲响应的归一化幅频响应h ( f r c ) ，水平磁记录方式和垂直磁记录方 式在上述几种不同存储密度s 。下的归一化幅频响应如图2 5 所示。我们可以看出 这两种信道的频率响应亦不尽相同，特别是在低频的范围是一个相反的状态。具 体来说，此时采用洛仑兹脉冲表示的l m r c 方式在d c 直流时幅频响应幅值为零； 而反双曲正切函数表示的p m r c 方式却是处于峰值状态。此外，发现两种磁记录 方式的幅频响应波形会随着存储密度的增加而变窄。 图2 5 不同d c 下归一化h ( f r 3 的频谱图 2 4 离散时间磁记录信道 如前所述，给出的连续时间磁记录信道的阶跃响应及其脉冲响应形式，为了 分析方便，我们在这里给出一个等效磁记录信道模型。令二进制存储数据序列是 + l ，一1 ) ，o k = & 一口，则读回信r ( t ) 口- t 分别通过阶跃响应s ( t ) 和脉冲响应 归一位懵值 重庆邮电大学硕士论文第二章磁记录信道特性分析 h ( t ) 两种方式来表示，其信道模型分别由图2 6 所示。 h ( t ) b f a k - 札i n ( t ) a k _ 1 ，一1 1 d s ( 0 。r、r ( 0 l b k - o ，+ 2 ，一2 ， 图2 6 等效磁记录信道模型 1 ) 基于阶跃响应s ( t ) 的形式表示为： ，( f ) = ( a k - - a k _ 1 ) s ( f 一圮) + ，l ( f ) = b k s ( t - k t 。) + n ( t ) ( 2 7 ) k = - - k = - - 2 ) 以脉冲响应h ( t ) 的形式表示为： ，( f ) = 一圮) 一s ( f 一( 七一1 ) z ) j = a k h ( t - k t 。) + n ( t ) ( 2 8 ) 扣1 面i r 一一 式2 7 和式2 8 中的n ( 0 是系统中存在的噪声，在分析过程中一般近似认为它 是加性高斯白噪声( a w g n ) ，且它的功率谱密度仃2 = n o 2 。而在实际系统中往往 存在更多的影响形式，包括介质噪声，电子噪声，覆盖噪声，抖动噪声等。 综上所述，磁记录信道可以被看作是有严重i s i 干扰的信道，h ( t ) 能在很大程 度上满足由( 1 d ) ( 1 + d ) n 多项式表示的部分响应形式。为了分析的方便起见，后续 我们将采用磁记录信道的离散时间模型来获得更直观的理解。 2 5 本章小结 本章先是从磁盘存储的物理特性上进行分析，简述磁记录的读写过程，以及 水平磁记录和垂直磁记录两种方式不同的脉冲响应表示，比较分析两者的波形及 其幅频响应特性，为后续采用部分响应信道作为逼近磁记录实际信道特性做理论 铺垫。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章等效磁记录信道分析与设计 第三章等效磁记录信道分析与设计 第二章通过对连续时间信道模型进行分析，给出了水平磁记录和垂直磁记录 方式下系统采用的脉冲响应形式，可以看出它是一个具有无限长冲激响应，由此 带来的影响是相邻比特信息间存在相当严重的码间干扰( i s i ) ，这是一个影响磁记录 存储读取错误率的重要因素之一，不采取一种有效的手段消除i s i 会给系统带来不 可言喻的灾难性错误。而随着人类对大容量数据的存储及高密度存储要求的逐步 提高，导致码间干扰更加严重，它成为研究磁记录技术时不可忽视的重要因素。 如何解决磁记录系统中i s i 带来的极其严重的干扰问题成为磁记录研究者们重点 关注的方面。本章主要实现如何采用p r 4 e p r 4 信道以及设计g p r 信道作为受i s i 干扰的等效磁记录信道。 3 1 部分响应信道设计方法 3 1 1 信道噪声特性分析 在磁盘存储系统中，读写过程时存在众多的机械破坏来源。本文主要关注读 取过程中的各种噪声影响因素。噪声来源于介质媒体，磁头和磁头前置放大器， 最主要的噪声是电子噪声和介质噪声两种形式。 电子噪声是任一通信系统中存在的热噪声，一般假设它相互独立且为服从 i v ( 0 ，盯2 ) 正态分布的a w g n 。介质噪声来源于磁介质的颗粒，可以被分成传输噪 声和粒子噪声两种。其中，传输噪声包括j i t t e r 噪声2 8 1 和脉冲宽度变化噪声。介质 噪声通常既不是加性的也不是平稳的。本文将介质噪声简化为一阶传输j i t t e r 噪声 a t , u ( t ) l d t ，a t 是一个随机变量，通常也被认为是服从( o ，盯，2 ) 正态分布。 磁记录信道中通常包含a w g n ( f ) 和j i t t e r 噪声n j ( t ) ，即n ( t ) = n a ( t ) + n 1 ( t ) 。 从而定义s n r 为： s n r = a ；2 ( o 2 + 巧二l 凼( f ) 衍1 2a t ) ( 3 1 ) 而a w g n 在噪声中的百分比为： 盯2 p 2 + 町2 j 。i 出( f ) 也1 2a t ) ( 3 2 ) 重庆邮电大学硕士论文第三章等效磁记录信道分析与设计 3 1 2 信道检测技术 1 ) 最佳信道检测 磁记录信道能被看作是一个二进制输入的携带噪声的通信信道，它完全由信 道脉冲响应h ( 0 表示，而这个h ( t ) 从数学表达式上看是一个具有码间干扰的形式， 且由前面分析可知它有无限长的脉冲响应波形，这在实际建模中存在着不可实现 性。下面给出磁记录信道的最佳信道检测模型。同于前面的假设噪声n ( t ) 是a w g n ， 则最佳信道检测器可以由匹配滤波器h ( 0 、符号采样器1 几、噪声白化滤波器和 最大似然检测器构成。图3 1 所示为磁盘存储信道的最佳信道检测器的模型。 图3 1 最佳信道检测器模型 磁记录系统中，常用部分响应( p a r t i a lr e s p o n s e ，p r ) 均衡器来取代匹配滤波器 h ( t ) 和白化滤波器的组合，这样能使信道冲激响应的长度缩短便于实现研究的目 的。以这种部分响应作为均衡器将信道塑造成一组限定长度的目标响应系数来表 征的部分响应信道，它往往可以由一个带有以t c 为单位的延迟因子d 的多项式表 示。由此我们可以判定部分响应均衡之后信道的模式仍然允许i s i 存在，但这里的 码间干扰是定义明确的，相当于是人为控制输入的，可以被检测器被识别的。部 分响应均衡器控制i s i 使它能满足以足够长的信道响应系数来近似描述磁记录信 道特性，而这个长度是以满足基于状态数的检测器能有效地完成检测判决的目的 为前提。 最基本的也最具有代表性的m l s d 检测是v i t e r b i 算法或其软输出形式s o v a 算法【2 9 1 。此外，基于逐符号译码的信道检测技术b c j r 算法也是常用的一种方式， 它的目的在于将符号错误率最小化，相对来说性能要略胜一筹，但它的复杂度同 时也大大增加了。因此b c j r 算法一度被忽视了几十年，直至t u r b o 码的出现才将 其重新引入人们的视线中。不论是v i